Esta tesis presenta una serie de técnicas de metrología óptica basadas en
fotónica de microondas (MWP), cuya incorporación permite la mejora de
ciertas figuras de mérito con respecto a sus equivalentes puramente fotónicos
en el ámbito de la metrología óptica y de la interrogación de sensores
de fibra óptica (OFS).
Tras una introducción donde se describen algunos de los tipos de OFS
más relevantes y los cuatro principales métodos de reflectometría óptica,
se resumen las publicaciones que forman parte del compendio de la presente
tesis. Estas se han dividido en aquellas que presentan técnicas basadas
en reflectometría óptica incoherente dispersiva en el dominio de la frecuencia
(DI-OFDR), o sistemas con mejoras que pueden ser empleadas en
DI-OFDR, y aquellas que han buscado y estudiado las aplicaciones metrológicas
de los bucles desplazadores de frecuencia (FSL). El primer grupo
de técnicas hace referencia a sistemas basados en reflectometría óptica incoherente
en el dominio de la frecuencia (I-OFDR) donde la inclusión de
un elemento dispersivo en el circuito óptico permite la incorporación de
nuevas funcionalidades. En particular, la medición de desplazamiento de
la longitud de onda de reflectores de banda estrecha mediante la detección
del retraso de grupo diferencial de ondas moduladas. El segundo se refiere al estudio teórico y experimental de peines de frecuencia generados por
lazos de fibra amplificados que incluyen un elemento desplazador de frecuencia,
y que permiten la generación de un amplio conjunto de formas de
onda ópticas de interés en, entre otros ámbitos, aplicaciones metrológicas.
Por una parte, las publicaciones relacionadas con DI-OFDR han consistido
en: el desarrollo de un método de interrogación de redes de Bragg en
fibra (FBG) mediante una fuente de doble longitud de onda; la minimización
del número de puntos de interrogación en frecuencia en sistemas
DI-OFDR adaptada a una topología de reflectores equiespaciados, así como
el desarrollo de un método basado únicamente en medidas de potencia;
y la implementación de un sistema con conversión electroóptica descendente
de frecuencia y detección a frecuencia intermedia para la realización
de medidas reflectométricas tanto distribuidas como puntuales y, en este
caso, con selectividad en longitud de onda. Entre otras ventajas, estos sistemas
han permitido la interrogación de FBG con resolución picométrica y
alta eficiencia en potencia; velocidades de interrogación de arrays FBG de
hasta 10 μs por elemento sensor; y la detección de eventos reflexivos discretos
con reflectividades de hasta 90 dB y de retrodispersión Rayleigh
en banda C en fibra monomodo estándar; respectivamente.
Por otra parte, las publicaciones relacionadas con los FSL se han centrado,
respectivamente, en la aplicación de las formas de onda ópticas de tipo
chirp generadas por estos dispositivos para la medición de distancia con resolución
milimétrica por compresión de digital de pulso, aprovechando para
ello su alto producto tiempo-ancho de banda ( 200), y en la descripción
teórica de dichas formas de onda. Empleando una descripción del campo
generado por los FSL basada en una analogía con la óptica difractiva, se
han descrito nuevas propiedades de los pulsos tipo chirp generados por
FSL. En concreto, la existencia de captura de fase entre distintos pulsos, la presencia de desviaciones de la linealidad del chirp y la comprobación
experimental de la coincidencia entre las fases Talbot generadas en FSL
bajo condiciones fraccionales y las secuencias de fase perfecta de Gauss.
Los resultados de esta segunda parte de la tesis muestran, además de un
buen acuerdo del modelo teórico con los pulsos medidos, la viabilidad del
empleo de FSL para medición de distancia láser con compresión digital de
pulsos, obteniéndose tasas de compresión y de repetición de 150 y 80 MHz,
respectivamente, y un ancho de banda de 20 GHz.This thesis presents several techniques of optical metrology based on Microwave
Photonics (MWP), whose incorporation allows for improving some
figures of merit with respect to its purely photonic equivalents in the fields
of optical metrology and interrogation of optical fiber sensors (OFS).
After an introduction where some of the most relevant types of OFSs and
the four main methods of optical reflectometry are described, the publications
that form the compendium of this thesis are summarized. These
have been divided in those which present techniques based on dispersive
incoherent optical frequency-domain reflectometry (DI-OFDR), or systems
with improvements that can be employed in DI-OFDR, and those which
have searched and studied the metrology applications of the frequency
shifting loops (FSL). The first group of techniques refers to systems based
on incoherent optical frequency-domain reflectometry (I-OFDR) where the
inclusion of a dispersive element in the optical circuit allows for incorporating
new functionalities. In particular, measuring wavelength shiftings
in narrow band reflectors by detecting the differential group delay of modulated
waves. The second refers to the theoretical and experimental study
of frequency combs generated by amplified fiber loops that include a frequency
shifting loop, and that allow for generating a wide group of optical waveforms of interest in, among other fields, metrology applications.
On the one hand, the publications related to DI-OFDR have consisted in:
the development of an interrogation method of fiber Bragg gratings (FBG)
by a dual-wavelength source; the minimization of the number of interrogation
points in frequency in DI-OFDR systems adapted to a topology of
equally-spaced reflectors, as well as the development of a method based
only in power measurements; and the implementation of a system with
electro-optic downconversion and detection at intermediate frequency for
conducting reflectometric measurements either single-point or distributed
and, in this case, with wavelength selectivity. Among other advantages,
these systems have allowed for interrogating FBGs with picometric resolution
and high power efficiency, interrogating FBG arrays with speeds
up to 10 μs per sensing element, and detecting discrete reflective events
with reflectivities up to 90 dB and Rayleigh backscattering in C band in
standard monomode fiber; respectively.
On the other hand, the publications related to FSLs have been focused,
respectively, on the application of the chirped optical waveforms generated
by these devices for distance measuring with millimetric resolution
by digital pulse compression, taking advantage of its high time-bandwidth
product ( 200), and the theoretical description of these waveforms. Using
a description of the field generated by the FSLs based on an analogy with
diffractive optics, new properties of the chirped pulses generated by FSLs
have been described. In particular, the existence of phase capture between
different pulses, the presence of chirp linearity deviations, and the experimental
verification of the coincidence between the Talbot phases generated
in FSLs and the Gauss perfect phase sequences. The results of this second
part of the thesis show, besides a good agreement between the theoretical
model and the measured pulses, the feasibility of using FSLs for laser dis- tance measuring with digital pulse compression, obtaining compression and
repetition rates of 150 and 80 MHz, respectively, and a 20 GHz bandwidth